[发明专利]一种基于超声波的井下气侵监测系统

权利要求书

1.一种基于超声波的井下气侵监测系统，包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，其特征在于，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置；

所述涡轮的参数包括直径、叶片数量、叶片弦长、厚度、翼型和扭转角，涡轮的数量及其分布均采用以下方法进行测试优选确定：按照钻杆实际转速和目标井的实际井下条件，包括用于计算井下多相流场和气侵量的井深、钻井密度、钻井液排量、气侵气体、钻井液初始粘度、储层压力、地温梯度、地层渗透率和地层孔隙度，根据选定的涡轮参数、数量及其分布测试涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，当观察到形成稳定贴壁泡状流即气相含量0.3时，则该选定的涡轮参数、数量及其分布为最优；若未观察到贴壁泡状流，则以选定的为基准，每次测试选取一个基准值作为变量，其他不变，将选取的基准值增加或减少10%并四舍五入取整后测试该值下的涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，以此类推，直至测试观察到稳定贴壁泡状流；

所述气固预分离装置的外表面为自下而上横截面外径逐渐变大的平滑曲面，其中横截面的最大外径等于涡轮直径；

所述涡轮中分布于最下方的涡轮与气固预分离装置顶端之间的距离为200～300mm；

所述超声波气侵监测装置与下方环空气固分离装置中的涡轮或涡轮组之间的距离L采用以下方法确定：在实验测试优选确定涡轮的参数、数量及其分布后，继续观察气液固三相流场的分离情况，以气相含量等于0.3的位置截面为基准，测量该截面与分布于最上方的涡轮之间的距离即为L。

2. 根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，在井深为4280m、钻杆转速为120r/min、钻井液密度为1.6g/m³、钻井液排量为20 L/s、气侵气体为CH₄、钻井液初始粘度为55Pa•s、储层压力为68MPa、地温梯度为0.0463℃/m、地层渗透率为50md以及地层孔隙度为30%的条件下，涡轮的直径为200mm、叶片数量为12、叶片弦长为80mm、厚度为6mm、扭转角为15°。

3.根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波气侵监测装置为钻杆短节结构，通过上部接头和下部接头与钻杆螺纹连接；在钻杆短节的内壁上固定有超声波探头，在超声波探头的外部设置有保护腔。

4.根据权利要求3所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波探头为超声波单晶探头组合或双晶探头。

5.根据权利要求3所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波探头的主频为0.1MHz；探头为斜探头，角度为45°。

6.根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，根据不同气侵气体在不同井深条件下的溶解度确定监测系统的安装位置：对于溶解度低的非酸性气体，该气侵监测系统安装于近钻头处；对于溶解度高的酸性气体，则安装在上部的气体溶解度较小的井段。